基于PLC與變頻器的供風系統(tǒng)節(jié)能改造研究

【摘要】針對常規(guī)繼電器控制供風系統(tǒng)中存在的能源浪費嚴重、調(diào)節(jié)響應(yīng)性能較差等問題，設(shè)計出一種基于PLC與變頻器的變頻調(diào)速節(jié)能調(diào)控的供風系統(tǒng)。應(yīng)用實例表明，變頻調(diào)速供風系統(tǒng)可以十分方便地實現(xiàn)風量的連續(xù)調(diào)節(jié)，確保供風系統(tǒng)輸入與輸出間的動態(tài)平衡，大大地提高了風機的工作效率和運行安全可靠性，節(jié)能效果較為明顯。

【關(guān)鍵詞】PLC；變頻器；供風系統(tǒng)；節(jié)能

隨著電力電子技術(shù)、變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)、智能控制技術(shù)等先進技術(shù)發(fā)展的進一步完善，將PLC和變頻器引入到供風系統(tǒng)中，根據(jù)用風負荷需求，實時調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速，充分運用了供風系統(tǒng)中風機轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)風量、壓力、功率間的特性關(guān)系，改善風機的運行工況性能，達到風量的動態(tài)調(diào)控，提高供風系統(tǒng)運行的安全可靠性和節(jié)能經(jīng)濟性，就顯得非常有工程實踐應(yīng)用研究意義。

1、變頻調(diào)速供風系統(tǒng)節(jié)能調(diào)控原理

在常規(guī)繼電器風機控制系統(tǒng)中，風量調(diào)控閥門始終保持一定開度角運行，很多運行工況與實際負荷需求存在不匹配問題，造成大量的風能、電能浪費和機械損傷。基于PLC與變頻器結(jié)合的變頻供風系統(tǒng)，其利用供風系統(tǒng)的實際風壓信號與系統(tǒng)中預設(shè)的風壓系統(tǒng)進行動態(tài)比較，運算獲得對應(yīng)的壓力差值，并經(jīng)變頻器內(nèi)部運算分析獲得對應(yīng)的頻率系統(tǒng)，作用在風機輸入電源頻率上，通過調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速以實現(xiàn)風量的動態(tài)調(diào)控。也即，在變頻調(diào)速供風系統(tǒng)中，根據(jù)終端用氣負荷的實時需風量的壓力變化而不斷調(diào)整風機的輸入電源頻率，完成風機輸入電源頻率→風機運行轉(zhuǎn)速→輸出風量→電源頻率的動態(tài)調(diào)節(jié)，確保風機始終運行在輸入與輸出間動態(tài)匹配的節(jié)能工況。變頻調(diào)速供風系統(tǒng)其節(jié)能調(diào)節(jié)原理如圖1所示：從圖1可知，在風機變頻轉(zhuǎn)速控制工況下，供風系統(tǒng)中的管阻特性始終保持不變，轉(zhuǎn)速變化引起風機揚程特性發(fā)生變化，進而實現(xiàn)供風系統(tǒng)中風量的動態(tài)調(diào)節(jié)。圖1中，從N工況平衡調(diào)控到C工況，在常規(guī)閥門調(diào)節(jié)模式下，其能源消耗理論估算為SODEJ，而變頻轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模式下，其能源消耗理論估算為SODCK，即變頻轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，供風系統(tǒng)理論可以節(jié)省能量為SKCEJ。供風系統(tǒng)中采用調(diào)節(jié)閥門進行靜態(tài)調(diào)控時，有大量的電能和風能資源被供風系統(tǒng)中的管阻特性所浪費掉，且隨著閥門開度角的不斷關(guān)小，其功率損耗也會隨之大大增加。而在通過改變風機輸入電源頻率而改變風機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)風量的動態(tài)調(diào)節(jié)控制模式中，供風系統(tǒng)中的管阻特性始終保持不變，而調(diào)控系統(tǒng)根據(jù)實際運行工況間的輸入與輸出間的動態(tài)差值，不斷改變風機電機的輸入電源頻率來調(diào)節(jié)風量，實現(xiàn)風量的動態(tài)調(diào)節(jié)，達到節(jié)能降耗的目的。從大量文獻資料和實踐應(yīng)用經(jīng)驗可知，在變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中，風機電機轉(zhuǎn)速處于80%額定轉(zhuǎn)速時，其節(jié)電率大約可以達到49%；在轉(zhuǎn)速處于50%額定轉(zhuǎn)速時，其節(jié)電率甚至可以達到85%，節(jié)能效果非常明顯。因此，在新建或改造的供風系統(tǒng)中采用基于PLC與變頻器的恒壓供風系統(tǒng)，已得到工程實踐應(yīng)用的大量推廣，且應(yīng)用節(jié)電、節(jié)能、安全可靠效果非常良好。

2、基于PLC與變頻器的供風系統(tǒng)節(jié)能改造研究

基于PLC和變頻器的供風系統(tǒng)節(jié)能改造方案，主要由PLC可編程控制器、內(nèi)置PID調(diào)節(jié)單元的變頻器、風機（空壓機）機組、遠程氣壓信號器、DSP數(shù)據(jù)處理單元、供電電源系統(tǒng)等功能單元共同組成，其中PLC與變頻器是整個供風系統(tǒng)起、?？刂坪凸?jié)能調(diào)速運算分析的核心。系統(tǒng)在運行過程中，主要利用安裝于通風管道中的遠程氣壓信號器（傳感器）實時采集通風管網(wǎng)系統(tǒng)中的氣壓的實際波動值，并經(jīng)信號電纜將傳輸?shù)絇ID調(diào)節(jié)單元和PLC控制器，當發(fā)現(xiàn)氣壓屬于正常波動范圍時，由PID調(diào)節(jié)單元形成對應(yīng)的電源頻率，作用在風機輸入電源的頻率上，實時風機轉(zhuǎn)速的動態(tài)調(diào)控，達到節(jié)能降耗動態(tài)調(diào)控目的；一旦發(fā)現(xiàn)氣壓超過氣壓設(shè)定范圍時，PLC就會通過I/0輸入/輸出端子發(fā)出電機停信號，及時斷電避免事故的進一步擴大。變頻器中的內(nèi)置PID調(diào)節(jié)單元和DSP數(shù)據(jù)處理單元是通風系統(tǒng)中氣壓實時信號數(shù)據(jù)處理和氣壓波動壓差比例-微分-積分（PID）動態(tài)調(diào)節(jié)運算分析的核心調(diào)控單元，通過比例-微分-積分對氣壓信號進行處理，實現(xiàn)通風系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)控，保證輸入與輸出間的動態(tài)平衡，達到節(jié)能降耗的目的。基于PLC與變頻器的變頻調(diào)速供風系統(tǒng)節(jié)能改造方案，其連接電路如圖2所示：

3、基于PLC與變頻器的風機變頻調(diào)速節(jié)能改造效益評估

某工業(yè)廠房中裝有兩臺功率為210kW的風機，為了確保供風系統(tǒng)運行具有較高安全可靠性，兩臺風機采用明備用（即一用一備）的運行模式。從大量監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，通風系統(tǒng)的風機在選擇過程中按照最大供風量進行風機容量選擇，而實際運行過程中，通風系統(tǒng)大多處于75%運行工況，實際供風風量大大超過了供風系統(tǒng)的額定配風量，從而造成了大量的電能資源浪費。另外，風機控制系統(tǒng)中輸入與輸出間長期存在不平衡問題，使得風機長期運行在低效工況下，管阻損耗較大，發(fā)熱量增加縮短風機電機的綜合使用壽命。

經(jīng)理論計算，供風系統(tǒng)的平均理想轉(zhuǎn)速為540r/min，功率在110kw。若按照供風系統(tǒng)年平均運行天數(shù)為270天，設(shè)備日平均工作10小時計算，則對該工業(yè)廠房的210kw風機電機采取PLC與變頻器相結(jié)合的變頻調(diào)速節(jié)能改造后，其理論節(jié)電率可以達到：

（210 kW-110kW） / 210 kW ×100 % = 47.6%

如果按工業(yè)平均用電費率為0.8元/度進行估算，則采用PLC與變頻器進行節(jié)能改造后，其可以獲得的理論節(jié)電效益為：

M=（210 kW-110kW） ×270×10×0.8=21.6（萬元）

也就是說通過PLC與變頻器的變頻調(diào)速節(jié)能改造后，通風系統(tǒng)每年可以節(jié)省的理論經(jīng)濟費用大約為21.6萬元，大大降低了工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)制造成本。且采用變頻調(diào)速節(jié)能改造后，風機電機在啟動過程中，所受的沖擊電流大大減小，在很大程度上提高了風機系統(tǒng)的綜合使用壽命，確保供風系統(tǒng)安全可靠、節(jié)能經(jīng)濟的高效穩(wěn)定運行。

4、結(jié)束語

供風系統(tǒng)在日常生產(chǎn)、生活等環(huán)節(jié)中尤為重要，基于PLC和變頻器的變頻節(jié)能調(diào)速控制方案在供風系統(tǒng)中的合理改造應(yīng)用，可以確保風機電機長期運行在最優(yōu)運行工況，實現(xiàn)恒壓變頻調(diào)速控制，達到節(jié)能降耗的目的。同時，利用PLC和變頻器的自檢、自動診斷、實時響應(yīng)等特性，可以大大提高供風系統(tǒng)的綜合自動化水平，實現(xiàn)智能自動化調(diào)節(jié)控制，降低了常規(guī)繼電器控制模式中的人工勞動工作量，節(jié)能節(jié)電效果非常明顯，安全可靠性較高，是新建或改造通風工程中普遍采用的節(jié)能方案。

參考文獻

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作者簡介

宋世靜（1976-），男，籍貫：廣西南寧人，職稱：工程師，學歷：本科，主要研究方向：電氣自動化。